降雨对C波段散射计测风的影响及其校正

传统观点认为C波段散射计工作波长大于雨滴直径,受降雨散射衰减的影响很小, 因此往往忽略降雨对C波段散射计测风的影响.本文基于降雨引起C波段散射计信号的衰减、 后向体散射及雨滴落入海面后的扰动作用,推导了降雨条件下的雷达方程, 构建了2010年全年的ASCAT散射计、降雨雷达和欧洲中期天气预报中心数值预报的匹配数据集, 定量分析了降雨对C波段散射计测风的影响,发现其信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增强; 后向体散射和雨表面扰动作用随降雨强度的增大而增强、随入射角的增大而减小, 其中雨表面扰动作用对散射计测风的影响大于后向体散射.另外, 利用降雨条件下的雷达方程和匹配数据集,本文建立了降雨条件下的C波段主动微波辐射传输模型, 实验表明,该模型能够改善降雨条件下C波段散射计测风的精度.     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

降雨融化层后向散射的蒙特卡罗仿真

云层上端冰雪粒子的融化形成了降雨融化层，随着粒子的下落融化过程开始，因此融化层的微观特性在垂直方向上是连续变化的.建立了降雨融化层的仿真模型，应用更为切合实际的三层球形粒子代替了融化层中的粒子.根据降雨过程中雨滴的尺寸分布推导了融化层中融化粒子的尺寸分布.根据Mie理论，计算了降雨率小于12.5 mm/h时，降雨融化层对5，10，35，94 GHz电磁波的雷达反射率和特征衰减因子的垂直廓线.计算结果表明，当电磁波频率高于20 GHz时，将无法观测到“雷达亮带”，这与实验结果相符.根据辐射传输理论，应用蒙特卡罗方法计算了垂直方向微观特性连续变化的降雨融化层对不同频率电磁波的反射率，比较了两种不同尺寸分布(Gamma分布和Marshall-Palmer分布)融化层反射率的差别，这为利用高频电磁波对降雨融化层进行遥感提供了理论和数值依据. 关键词： 降雨融化层 蒙特卡罗方法 后向散射 电磁波     

雷达波段内磁性吸波颗粒光散射特性分析

针对目前在微波雷达隐身技术中广泛运用的吸波材料颗粒,根据米氏(Mie)散射理论对磁性吸波颗粒在雷达波段内的光散射特性进行了数值模拟和计算分析.在Mie系数中引入磁导率变量,分别计算了磁导率、折射率及颗粒粒径等参数对吸波颗粒光散射特性的影响;同时对比分析了磁性与非磁性吸波颗粒的散射光强、散射系数、吸收系数等散射特性规律.数值计算结果表明,颗粒磁特性的变化对其散射性能造成影响,磁导率的增大将使颗粒的吸收性能增强而后向散射强度减弱,有利于吸波颗粒雷达散射截面的减小,同时磁导率变化对颗粒散射特性的影响受到复折射率的制约.     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

不同散射介质对飞秒脉冲激光传输特性影响研究

基于分层传输模型和Mie散射理论,在粒子散射模型中充分考虑了谱分布特征,数值模拟了800 nm飞秒激光在冰云、水云、雾、气溶胶和降雨环境中的传输特性.结果表明,谱分布和粒子相态对光丝传输特性有较大的影响.雨滴的粒径较大,光丝在降雨环境中传输时,由于散射导致的能量衰减最强,产生的光丝峰值光强和能量最低.同时,光丝能量在空间的分布不均,产生了明显的多丝结构,并导致光丝长度缩短.水云和雾具有类似的谱分布特征,光丝在水云和雾中的传输特性十分相似.但由于雾中的粒子尺度更小,光丝的能量较高,光丝分布更集中.气溶胶对光丝的散射最弱,因此在传输前期没有对光丝的结构产生影响,并以稳定的单丝结构传输,光丝的峰值光强和能量最高,但在距离成丝位置一段距离后光丝结构才逐渐出现扰动.相同谱分布下,由于冰粒子的散射能力强于水粒子,造成光丝在冰云中的能量更低,光丝分布不集中,光丝的数量明显增多.     

降雨对532nm和1064nm激光传输的衰减特性研究

降雨会对激光信号产生严重的衰减,从而给激光目标探测的应用带来一定影响.激光在降雨中的传输衰减已在红外波段做了大量的实验研究,而可见光波段激光在雨中的传输衰减特性还未见报道.基于夫琅禾费衍射和几何光学散射理论,建立雨滴对532 nm绿激光和1064 nm近红外激光光束的传输衰减模型,对比分析两波长激光在不同降雨量下的衰减...     

雾天气中THz与红外的传输特性

基于HITRAN数据库,对比了大气主要成份分子对THz波段的吸收.从Mie理论出发,结合雾滴粒子谱分布,分析了不同波长信号雾滴粒子群的平均体系散射特性.采用蒙特卡罗方法,得到了红外波段和THz波段雾天气的透过率、反射率,以及前向、后向散射强度.结果表明:THz波段内,频率越低,透过率越高,反射率越低,后向散射强度越小;相同传输距离下,THz波段比红外波段具有更好的透射能力;相同散射角下,红外波段信号前向散射强度大于THz波段.该研究结果对THz技术在大气空间中的应用具有重要意义.     

非球形大气粒子对任意波束的电磁散射特性

研究大气中变形球状的气象粒子对电磁波以及激光的散射特性,采用广义米氏(Mie)理论,精确地求解在任意波束中大气粒子的散射强度,数值计算激光束腰位置对散射强度分布的影响,分析彩虹强度和散射角与变形球状粒子偏心率的关系,研究随着长短轴比例增加,彩虹强度峰值的偏移。计算结果表明雨滴在下降过程中,它在各个方向的光散射强度逐步减弱,即随着雨滴偏心率的增大,散射强度减少,彩虹角变大。对于激光入射,当粒子距离波束中心位置越远,粒子的散射就越弱,并且随尺寸参量增加,后向散射振荡的频率要大于前向散射,当束腰位置矢径的大小增加时,后向散射和前向散射强度均变小。     

T矩阵散射模拟双偏振测雨雷达偏振及衰减特性

通过T矩阵散射模拟,研究X、C和S波段双偏振测雨雷达在单分散雨滴谱、不同雨强和不同最大雨滴直径下的偏振和雨区衰减特性,分别建立三种不同波段双偏振雷达反射率因子和差分反射率的雨区衰减订正关系.最后,用实测雨滴谱数据和X波段双偏振雷达实测反射率数据验证散射模拟结果的准确性.     

激光雷达雨中能见度测量

 分析了雨中能见度测量值偏高是由于雨滴的前向散射效应的原因。针对这一情况,在假设雨滴谱分布满足Marshall-Palmer分布条件下,提出了激光雷达前向散射修正模型。利用自行研制的CSY2型能见度激光雷达在孝感、北京进行了为期半年的比对实验。结果显示：在中雨和大雨条件下,利用该修正算法能大大减少能见度测量误差。     

基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法

以T矩阵理论、Gamma谱分布为理论基础,基于Pruppacher-Beard降雨粒子模型,对OTT雨滴谱仪的Gamma谱参数历史资料与降雨强度值进行非线性拟合得到具有实地谱分布的幂律系数,建立适合于本地区的雨衰模型,提出了基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法,分析了温度对模型幂律系数的影响,并开展了15—20 GHz频段的视距微波链路与地面雨滴谱仪的同步观测降雨实验.实验结果表明:反演雨强的相关系数全部高于0.6,最高达到了0.96,RMSE最小值为0.79,累积降雨量的绝对偏差在2.47 mm以内,最小偏差仅为0.28 mm,相对误差低于1.84%.实验结果验证了基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法的有效性、准确性和适用性,对于进一步提高微波链路反演降雨精度、改善降水监测效果具有重要意义.     

Rain induced cross polarization at millimeter waves in a Xi''an environment

The rainfall intensity accumulative distribution, raindrop size and canting angle distributions in Xi'an(108.9 E, 34.3 N) have been obtained from data measured over a long period of time. Rain induced crose polarization in this environment has been studied. The crose polarization discrimination, XPD, was compu ted over a frequency range of 19.3 to 300 GHz for non spherical drops. The variations of XPD with frequency, rainfall rate and copolar attenuation, CPA, were investigated. The computational resulte are in good agreement with experimental data. A mathematical relationship was established between the XPD and CPA, raindrop canting angle, which result is in good agreement with experimental data. The cumulative distribution of rain induced cross polarization for eleven years and in month have been ob tained with the cumulative distribution of the rain rate from the data measured from 1975 to 1985. The role of multiple scattering also has been discussed, it is shown that the multiple scattering play an important part in short millimeter wave.     

Influence of complex component and particle polydispersity on radiative properties of soot aggregate in atmosphere

The effects of morphological structure, water coating, dust mixing and primary particle size distribution on the radiative properties of soot fractal aggregates in atmosphere are investigated using T-matrix method. These fractal aggregates are numerically generated using a combination of the particle-cluster and cluster-cluster aggregation algorithms with fractal parameters representing soot aggregate in atmosphere. The radiative properties of compact aggregate notably deviate from that of the branched one, and the effect of morphology changes on the radiative properties in wet air cannot be neglected. However it is reasonable to use realization-averaged radiative properties to represent that of the aggregates with certain morphology. In wet air, the scattering, absorption and extinction cross-section and symmetry parameter of soot aggregates coated with water notably increase with water shell thickness. The mixing structures of dust have little effect on radiative properties of aggregates, but the volume fraction of dust has an obvious effect on extinction, scattering and absorption cross-section of aggregates when the size parameters are above the Rayleigh limit. Although the primary particle size distribution of soot aggregate has mild effect on the scattering albedo and asymmetry parameter, the deviations of the extinction, scattering, absorption cross-section among the three size distributions are significant in this study. The size distribution has a significant effect on forward scattering of phase function, while the effect can be neglected as the size parameter approaches to the Rayleigh limit.     

光在雨中传输的研究

概述了雨滴的尺寸分布特性和光波在雨中的传输衰减,介绍并分别讨论了仅考虑雨滴对光传输的散射作用与仅考虑雨滴对光传输的遮挡作用时光的传输衰减模型.重点分析了后者的原理,结合雨滴尺寸分布模型对光在雨中的最大传输距离及其光强的衰减做了计算.     

Collective Scattering of Electromagnetic Waves from a Relativistic Magnetized Plasma

Recently, laser and microwave scatterings have become one of the important diagnostic means for plasma. Laser and microwave correlative scattering spectrum is determined by particle-density fluctuations in a weak turbulent plasma. In a relativistic plasma, on the basis of complete electromagnetic interaction between particles, a general expression for particle density fluctuations and spectra of laser and microwave scattering from a magnetized plasma are derived. The laser and microwave scattering spectra provide information on electron density and temperature, ion temperature, resonance and nonresonance effects.     

Scattering of Millimeter Waves from Acid Rain

A theoretical investigation of scattering characteristics of millimeter waves from acid rain is conducted using the method of vector spherical function expansion. The particles of acid rain are considered as the double-layered spheroid. The method is used to derive an analytical solution to the problem of scattering of millimeter waves by a coated dielectric spheroid. The normalized bistatic cross section versus scattering angle for the acid raindrop is calculated at frequencies of 35 GHz and 94 GHz. This is the first part of our study scattering characteristics of millimeter waves from acid rain.     

微波混沌腔体中的散射特性研究

以计算机机箱为研究目标,开展了电磁波耦合入计算机机箱腔体的散射问题研究.通过对其散射矩阵元的讨论和分析发现:可以通过辐射散射测量得到系统散射矩阵的系综平均;随着腔体损耗的增加,腔体散射系数的波动性减小;随着腔体损耗的进一步增加,插入相移分布逐渐趋于均一分布.通过Dyson圆系综讨论了归一化散射矩阵,计算机机箱腔体中存在波混沌散射.根据随机矩阵理论,微波混沌腔体的归一化阻抗矩阵具有统计通用性,且只与系统的损耗有关.